Limbile
Pagini
Legal
Genetica-II
E o mare primejdie s ajungi a fi mulumit de tine nsui. E o mare primejdie s ajungi a fi mulumit de tine nsui. N. IorgaN. Iorga
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
q Succesul unui organism depinde de caracteristicilefizico-chimice ale materialului genetic, pe de o parte, ide modul cum se exprim informaia genetic n anumitecondiii de via, pe de alt parte.
q Genotipul reprezint totalitatea factorilor ereditari,(informiei genetice), dar nu este simpla sum aefectelor genelor izolate.(informiei genetice), dar nu este simpla sum aefectelor genelor izolate.
q Fenotip reprezint totalitatea caracterelor observabileale organismelor.
q Fenotipul unui organism este rezultatul interaciuniidintre genotip i mediul de via.
q Genele se manifest n anumite condiii de mediu.Din interaciunea complex a genotipului cu mediulpot s apar diferene determinate nu numai denatura genelor, ci i de variaia condiiilor de mediu.
q Produsul unei gene (de exemplu, o enzim) poate fi
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
q Produsul unei gene (de exemplu, o enzim) poate fiimplicat n unul sau mai multe procese metabolicecare contribuie la realizarea mai multor funcii aleunui organism.
q Studiul gemenilor monozigoi reprezint o modalitatede investigare a interaciunii complexe dintregenotip i mediu.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
La gemenii monozigoi diferenele fenotipice se datoreaz exclusiv componentei mezologice (mediul de via).
Gemenii monozigoi
Gradul de implicare a fiecrei din cele dou componente (genetic i mezologic) n realizarea unui fenotip se poate stabili pe baza procentului de concordan.
Procentul de concordan a unor caractere, malformaii congenitale i boli la gemeni (monozigoi i dizigoi) este prezentat n tabelul urmtor.
Caracterul, malformaia congenital sau boala analizate
Procentul de concordan la gemenii
monozigoi dizigoi
Grupa sanguin 100% 64%
Luxaia congenital de old 40% 3%
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Luxaia congenital de old 40% 3%
Buza de iepure 40% 5%
Poliartrita reumatoid 50% 5%
Gua endemic 70% 71%
Tuberculoza 74% 28%
Rujeola 95% 94%
Studiul gemenilor monozigoi reprezint o modalitate deinvestigare a interaciunii complexe dintre genotip i mediu,dar un astfel de studiu nu este suficient.
ntr-un astfel de studiu, nu se pot preciza nici numrulgenelor i nici modul de aciune al acestora n determinareaunui anumit caracter fenotipic.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
De asemenea, componenta mezologic trebuie s fieidentic pentru cele dou categorii de gemeni.
unui anumit caracter fenotipic.
n acest context, sunt necesare i alte tehnici sau metodede investigare.
Interaciunile complexe ale componentei geneticecu componenta mezologic pot duce, n anumitecondiii, la manifestarea puternic numai a uneicomponente.
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
componente.
Astfel, manifestarea unei gene se caracterizeazprin noiunile de penetrabilitate i expresivitate.
O gen se poate manifesta n anumite condiii demediu la toi indivizii care o poart, caz n care sespune c ea manifest o penetran complet saude 100%.
In alte condiii de mediu, dei prezent la toi
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
In alte condiii de mediu, dei prezent la toiindivizii, ea nu se manifest dect la unii dintre ei in acest caz se spune c o asemenea gen are openetran incomplet sau sub 100%.
Prin penetran se nelege deci frecvena cu care ogen sau o combinaie de gene este exprimatfenotipic.
Penetrana genelor reflect heterogenitatea uneipopulaii pentru genele modificatoare, carecondiioneaz exprimarea altor gene.
Penetrana se refer la frecvena cu care se manifest ogen n cadrul unei populaii i se exprim n procente.
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
condiioneaz exprimarea altor gene.
Influena mediului se exercit nu numai asupranumrului de indivizi care exprim n fenotip o anumitgen, ci i asupra intensitii exprimrii n fenotip aacelui caracter, aspect care se numete expresivitategenic.
Expresivitatea msoar gradul n care o anumit alel se exprim la nivel fenotipic.
Diferite grade de exprimare a unei gene la diferii indivizi se
Astfel, expresivitatea msoar intensitatea fenotipului.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
Diferite grade de exprimare a unei gene la diferii indivizi sepot datora variabilitii compoziiei alelice a restuluigenomului sau factorilor de mediu.
La fel ca penetrabilitatea, expresivitatea se integreaz nconceptul de norm de reacie.
Figurile urmtoare exemplific diferena ntre expresivitate i penetrabilitate, respectiv variabiltatea expresivitii genei SP la rasa de cini beagle.
Penetrabilitate variabil
Expresivitate variabil
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
Exemplificarea noiunilor de penetrabilitate i expresivitate
Penetrabilitate i expresivitate variabile
Variabilitatea expresivitii demonstratprin 10 grade de intensitate a petelor la
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
prin 10 grade de intensitate a petelor larasa de cini beagle. Ficare exemplarare alela SP responsabil de pete.
La individul Q, alela dominant nu
Pedigriul pentru o alel dominant cu penetrabilitate incomplet
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
La individul Q, alela dominant nu se manifest la nivelul fenotipului, dar a trecut la cel puin doi urmai. Deoarece penetrabilitatea este incomplet, ali urmai (de ex., individul R) au motenit sau nu alela dominant.
Genotipul stabilete potenialul de dezvoltare, dar exprimarea sa ntr-un fenotip depinde de condiiile de mediu.
Fiecare fenotip este rezultatul exprimrii unui genotip n anumitecondiii de mediu.
Interaciunea dintre gene i mediu
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
Practic, un genotip poate da natere la mai multe fenotipuridiferite n condiii diferite de mediu.
Gama de fenotipuri produse de un genotip n diferite condiii demediu (de ex., nlimea plantei) se numete norm de reacie.
Penetrabilitatea i expresivitatea pot depinde, de asemenea,de condiiile mediului extern.
La Habrobracon hebetor exist gena k (kidney), care la
Interaciunea dintre gene i mediu
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
De exemplu, genotipul GG poate produce o plant care are10 cm nlime la 20C, dar acelai genotip poate produce oplant de 18 cm la 25C.
La temperaturi mai sczute, aceast gen nu se manifest deloc sau numai la un numr mic de indivizi.
30C este letal pentru toi indivizii; penetrabilitatea este de100%.
Exprimarea unor genotipuri depinde fundamental deprezena unui mediu specific.
La iepurele de Himalaia, pigmentaia neagr la nivelul
Interaciunea dintre gene i mediu
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
Iepurele de Himalaia, pur din punct de vedere genetic pentruculoarea blnii, este complet alb la 34C.
La iepurele de Himalaia, pigmentaia neagr la nivelulnasului, urechilor i picioarelor, apare numai la temperaturide 25C sau mai mici; la temperaturi mai mari de 30C nu maiapare aceast pigmentaie.
Alela himalaian este un exemplu de alel sensibil latemperatur, o alel al crei produs este funcional numai laanumite temperaturi.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
La orz, o alel recesiv autozomal inhib sinteza declorofil, producnd albinism atunci cnd planta crete la
Unele tipuri de albinism la plante sunt dependente detemperatur.
Interaciunea dintre gene i mediu
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
clorofil, producnd albinism atunci cnd planta crete latemperaturi sub 7C.
La temperaturi peste 18C, o plant homozigot pentrualela albino sintetizeaz normal clorofila i este verde.
n mod similar, la Drosophila melanogaster, homozigoiipentru mutaia autozomal aripi vestigiale, pn la 25Caripile sunt rudimentare, dar la temperaturi mai ridicatearipile au dimensiuni normale.
Norma de reacie pentru aripi vestigiale la D. melanogaster.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
Glucozo-6-fosfat dehidrogenaza este o enzim implicat n
Factorii de mediu joac, de asemenea, un rol important n exprimarea unor boli genetice la om.
Interaciunea dintre gene i mediu
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
Glucozo-6-fosfat dehidrogenaza este o enzim implicat n furnizarea de energie necesar unei celule.
La om, exist mai multe variante genetice de glucozo-6-fosfat dehidrogenaz, unele dintre ele inducnd hemolizaatunci cnd organismul este stresat ca urmare a unei infeciisau dup consumul anumitor medicamente sau alimente.
Practic, simptomele unei boli genetice apar numai nprezena acestor factori de mediu specifici.
O alt boal genetic, fenilcetonuria (PKU), se datoreazunei alele autozomale recesive, care n final se manifestprin retardare mintal.
Interaciunea dintre gene i mediu
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
Boala are la baz o enzim defect, care n stare normalmetabolizeaz aminoacidul fenilalanin (Phe, F).
Cnd enzima nu funcioneaz normal, fenilalanina seacumuleaz i determin leziuni cerebrale la copii.
Dac n dieta unui copil cu acest defect se reduce sau seelimin fenilalanina, retardarea este evitat.
Aceste exemple demonstreaz c genele i produiiacestora nu acionez n afara factorilor de mediu, ci foartefrecvent interacionez cu acetia.
Interaciunea dintre gene i mediu
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
n anumite situaii, factorii de mediu singuri pot produce unfenotip identic cu fenotipul produs de un genotip; acestfenotip se numete fenocopie (phenocopy).
De exemplu, la Drosophila mutaia autozomal recesiveyeless produce ochi foarte mici.
Acelai fenotip poate rezulta dup expunerea larvelor deDrosophila normal la metaborat de sodiu.
Exprimarea multor gene este modificat de factorii demediu.
Interaciunea dintre gene i mediu
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Penetrabilitatea i expresivitatea genelorPenetrabilitatea i expresivitatea genelor
Gama de fenotipuri produs de un genotip n diferitecondiii de mediu se numete norm de reacie.
O fenocopie este un caracter rezultat n urma aciuniifactorilor de mediu i mimeaz un fenotip produs de ungenotip.
Majoritatea genelor se poate exprima numai la un momentdat (exprimare ealonat) sau exprimarea lor este temporarsau intermitent (gene pentru enzime, endorfine, hormoni,anticorpi etc).
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Aciunea temporal i temporar a genelor
Caracterele sexuale secundare sau distrofia muscular semanifest numai dup vrsta de 10-15 ani.
La om, polidactilia se observ deja la embrionul de 2 luni.Culoarea real a ochilor se stabilizeaz numai dup natere.
Chelia, cu determinare genetic, ncepe s se manifestenumai dup 25 de ani.
Frecvenele genelor n populaii
Numrul total de indivizi diploizi din populaie, N, s-a format din 2N gamei produi n generaia precedent. Un anumit nr. de gamei posedau alela A ceilali purtau alela a.
Diferitele combinaii ale gameilor cu alela A cu gameii cu alela a au alctuit populaia diploid prin unire n timpul fecundaiei
Numrul de genotipuri AA, notat n1 s-a format prin unirea unui nr. dublu de gamei, 2n1, fiecare din acetia avnd o singur alel A.
Heterozigoii s-au format din 2n2 gamei, n2, avnd alela A i n2 avnd alela a.
Numrul total de gamei cu alela A implicai n formarea indivizilor diploizi este egal cu suma 2n1+n2. Proporia lor n toi gameii populaiei, notat cu p, este:
Proporia de gamei cu alela a (notat cu q) poate fi determinat din numrul de gamei cu alela a care au contribuit la formarea indivizilor Aa i aa. Prin urmare:
Aceste proporii sunt denumite frecvene genice.
Deoarece A i a sunt considerate singurele alele posibile n locusul A, p+q=1. Deci:
Frecvenele genice pot fi determinate pe baza frecvenelor genotipice:
ntr-o formulare mai simpl, frecvena genic a alelei A se afl adugnd jumtate din procentajul heterozigoilor la procentajul homozigoilor AA, iar frecvena alelei a se afl adugnd jumtate din clasa heterozigoilor la proporia de homozigoi aa.
Pentru a ilustra calculul frecvenelor genice putem s ne folosim de exemplul grupelor de snge M-N la om. Acestea sunt determinate de o pereche de alele, LM i LN, plasate pe un locus autozomal unic.
Cele trei tipuri sanguine, M, MN i N se disting net i corespund genotipurilor LMLM, LMLN i LNLN.
n tabelul de mai sus sunt prezentate numrul i proporia genotipurilor n eantioane prelevate din trei populaii.
Frecvenele celor dou alele pot fi determinate pentru fiecare populaie folosind fie numrul de indivizi, fie frecvenele genotipice.
De exemplu, frecvenele genice ale alelelor LM i LN n eantionul de 730 btinai din Australia sunt:
Populaia n echilibru, legea Hardy-Weinberg
Pn acum am descris o anumit generaie a unei populaii.
Ce se ntmpl cu frecvenele genice i genotipice n generaiile urmtoare?
n generaia imediat urmtoare, genotipurile se formeaz dintr-un eantion de gamei produi de prini.
Compoziia acestui eantion pe tipuri de gamei este determinat de mai muli factori care influeneaz procesul prin care genele sunt transmise de la o generaie la alta.
Fr cunoaterea acestor factori nu putem rspunde la ntrebarea de mai sus.
1. Modul de transmitere ereditarVom lua n considerare organisme care se reproduc
sexuat i la care adulii sunt diploizi iar gameii haploizi. Vom determina n prealabil amplasarea locusului (autozomal sau heterozomal), numrul de alele i raporturile de dominan i epistazie.
2. Mrimea populaieiVom lua n considerare numai populaii mari, la care
schimbrile ntmpltoare ale frecvenelor genice sunt nesemnificative i pot fi neglijate.
3. Sistemul de reproducere
La populaiile obligat sexuate, sistemul de reproducere cel mai obinuit se apropie de ncruciarea la ntmplare, n care un individ se ncrucieaz cu aceeai probabilitate cu oricare membru de sex opus din populaie, indiferent de genotipul su. Esenial este ca expresia fenotipic a alelelor studiate s nu fac parte din criteriile de alegere a partenerilor (mperechere prefernial).
4. Mutaiile i migraia
Mutaiile pot transforma o form alelic n alta. Dac are loc o mutaie, frecvenele genice n eantionul de gamei pot s nu le reflecte pe cele din populaia parental dect n cazul n care fenomenul mutaional se produce cu aceeai frecven n ambele sensuri, adic numrul de mutaii nainte (Aa) este egal cu numrul de mutaii de reversie (a A).
De asemenea, frecvenele genice pot fi modificate prin introducerea sau extragerea dezechilibrat a unor genotipuri n aa msur nct pot duce la schimbri profunde ale generaiei parentale. Imigrarea n populaie a unor indivizi strini sau emigrarea unor membrii ai populaiei modific frecvena tipurilor de gamei produi , dac migranii au frecvene genice diferite de cele din populaia iniial.
5. Selecia
Adeseori, expresia fenotipic a diferitelor genotipuri include diferene de fertilitate i de viabilitate. Organismele cu un grad ridicat de viabilitate i fertilitate sunt cele favorizate de selecia natural. Pentru moment vom face abstracie de forele de selecie pentru a nu complica prea mult prezentarea.
Vom rspunde acum la ntrebarea: care va fi frecvena genelor i a genotipurilor n generaia descendent?
Vom considera cazul ipotetic al unei perechi de alele de la un locus autozomal A, n codiiile n care genotipurile formeaz o populaie mare, cu ncruciri la ntmplare i nchis (fr migraii) n cadrul creia nu au loc mutaii i nu opereaz selecia.
Tipurile posibile de mperecheri se afl efectund permutrile femel mascul pentru toate genotipurile din populaie; pentru cele trei genotipuri AA, Aa i aa exist nou asemenea combinaii posibile.
Cnd un individ i alege partenerul la ntmplare probabilitatea ca partenerul su s aib un anumit genotip este egal cu frecvena acelui genotip.
Deci, proporia n care se produce fiecare combinaie este egal cu produsul frecvenelor genotipurilor.
Cele trei genotipuri AA, Aa i aa vor aprea printre genotipurile produse n ncrucirile de mai sus; totui, proporiile genotipice n descenden pot fi diferite de cele din generaia parental.
Presupunnd c forele de selecie sunt inoperante, numrul mediu de descendeni produi de fiecare ncruciare este acelai, indiferent de genotipurile implicate n ncruciare.
Deci, proporia de descendeni produi n fiecare ncruciare din cele nou tipuri posibile poate fi considerat echivalent cu frecvena fiecrei clase de ncruciri.
De exemplu, ncruciarea AA x AA are loc cu frecvena x2. Descendenii formai n aceast ncruciare sunt n proporie de x2 din toi descendenii produi n ntreaga populaie. Fiecare descendent din aceast ncruciare va avea genotipul AA.
ncrucirile Aa x Aa se produc cu frecvena y2. Din descendenii produi n ncrucirile de acest tip, y2, y2 i y2 vor fi AA, Aa i respectiv, aa.
Aplicnd acest procedeu la toate ncrucirile putem ajunge la frecvena total a fiecrui genotip descendent.
Frecvenele genotipice x, y i z din populaia parental iniial devin p2, 2pq i q2 dup o generaie de ncruciare la ntmplare.
Cunoscnd frecvenele genotipice, putem determina frecvenele genice n generaia descendent. Aa cu se tie, proporia n care se afl alela A este egal cu jumtate din frecvena heterozigoilor adunat cu frecvena homozigoilor AA.
Fie p1 frecvena genic a lui A n generaia descendent; atunci :
p1= p2+(2pq)= p2+pq=p(p+q)
i cum p+q=1, observm c p1=p
Acelai lucru este valabil i pentru frecvena alelei a.
Frecvenele genotipice x, y i z devin p2, 2pq i q2 ntr-o singur generaie de ncruciare la ntmplare.
Populaia p2: 2pq : q2 este considerat populaie n echilibru, deoarece frecvenele genice i genotipice rmn neschimbate de la o generaie la alta.
Acest lucru nu este surprinztor deoarece am omis intenionat n modelul nostru teoretic toi factorii care ar cauza modificri ale frecvenelor genice.
Populaiile cu frecvene genice identice nu au obligatoriu i frecvene genotipice identice.
Dei au frecvene genotipice diferite, cele patru populaii din tabelul de mai jos, vor ajunge la aceeai stare de echilibru 0,36AA: 0,48Aa: 0,16aa, dup o singur generaie de ncruuciare la ntmplare sau va rmne n starea de echilibru ca n cazul populaiei II.
Populaiile n echilibru vor continua s produc rapoarte genotipice neschimbate de la o generaie la alta.
Acest concept al constanei rapoartelor genotipice n populaiile cu ncruciare la ntmplare, cnd frecvenele genice sunt n mod specific constante, poart numele de legea Hardy-Weinberg, n cinstea celor doi oameni de tiin care au formulat-o independent n 1908.
Ea a reprezentat piatra de temelie n dezvoltarea geneticii populaiilor.
Analiza probelor dintr-o populaie
S ne ntoarcem la exemplul grupelor de snge M-N la om i s vedem dac proporiile gsite n proba de btinai din Australia corespund celor ale unei populaii panmictice n echilibru, conform principiului Hardy-Weinberg.
Dac cei 730 indivizi formeaz o prob reprezentativ i populaia este n echilibru, atunci frecvenele genice estimate (p=0,178 i q=0,822) ar trebui s reprezinte proporiile reale din fondul de gene; frecvenele genotipice calculate, determinate prin ridicarea la ptrat a frecvenelor genice, dup principiul Hardy-Weinberg sunt:
(0,178LM + 0,822LN)2 = 0,0317LMLM + 0,2926LMLN + 0,6757LNLN.
Numrul de indivizi aparinnd fiecrui genotip n proba de 730 de indivizi i numrul calculat, admind panmixia sunt:
Deoarece frecvenele genice au fost estimate prin analiza unei probe, ele sunt supuse erorilor datorate extragerii de probe, adic ele pot s nu reprezinte valorile reale din populaia ntrag.
De obicei, pentru a msura gradul de concordan dintre valorile observate n prob i cele calculate pe baza ipotezei se folosete matoda chi-ptrat; n cazul nostru, chi-ptrat are valoare de 0,083 cu un singur grad de libertate (probabilitate de 76%), ceea ce indic o concordan foarte bun.
Dac valorile observate i cele calculate nu arat o concordan satisfctoare, cauza trebuie cutat fie n lipsa panmixiei, fie n aciunea unor factori precum mutaia, migraia sau selecia.
Grupele de snge M-N ofer un exemplu excelent pentru evidenierea echilibrului unei populaii deoarece heterozigoii MN sunt difereniabili i pot fi folosii pentru estimarea frecvenelor genice.
Cnd caracterul studiat este controlat de o gen recesiv, heterozigoii se aseamn cu homozigoii dominani, formnd cu acetia o singur clas fenotipic.
n acest caz, estimarea frecvenelor genice poate fi fcut folosind numai proporia de homozigoi recesivi i presupunnd echilibrul genetic (z=q2).
De exemplu, fenilcetonuria se ntlnete la om cu o frecven aproximativ de 1 la 40 000.
n condiii de echilibru, frecvena indivizilor afectai, 1/40 000, trebuie s fie egal cu q2, iar frecvena alelei recesive, q, este rdcina ptrat a frecvenei genotipice, adic 1/200.
Frecvena alelei dominante este 1-q sau 1-1/200=199/200.
Proporiile genotipice de echilibru pot fi calculate dezvoltnd binomul frecvenelor genice (p+q)2.
O comparaie direct a valorilor observate cu cele calculate nu poate fi fcut, iar ncruciarea la ntmplare nu poate fi pus n eviden, deoarece pentru pentru obinerea frecvenelor genice echilibrul a fost presupus ca premis.
Prin acest exemplu se mai poate demonstra i un alt fapt: cnd o alel este rar, majoritatea indivizilor care o poart sunt heterozigoi.
Exist de 398 de ori mai muli purttori ai alelei fenilcetonuriei (heterozigoi) dect indivizi afectai (homozigoi recesivi).
Raportul ntre indivizii purttori i cei afectai e i mai mare n cazul unor caractere recesive care se ntlnesc i mai rar dect fenilcetonuria.
De ex. alcaptonuria se ntlnete cu o frecven de 1 la 1 milion; frecvena alelei recesive este de cca. 1/1000, iar raportul dintre heterozigoi i homozigoi recesivi este de 1998 la 1.
Acest fapt subliniaz constatarea c alelele rare se gsesc mai ales n stare heterozigot.
Alele multiple
Principiile echilibrului Hardy-Weinberg rmn neschimbate dac lum n considerare cazul alelelor multiple, toate celelalte condiii rmnnd aceleai ca i pn acum.
Fie alelele A1, A2 i A3 cu frecvenele p, q i respectiv r, unde p+q+r=1.
Genotipurile A1 A1, A1 A2, A1 A3, A2 A2, A2 A3 i A3 A3 apar ntr-o populaie n echilibru n urmtoarele proporii:
p2(A1A1) + 2pq(A1A2) + 2pr(A1A3) + q2(A2A2) + 2qr(A2A3 ) + r2(A3A3) care formeaz ptratul sumei frecvenelor genice gametice (p+q+r)2.
Principiul instalrii echilibrului ntr-o singur generaie la o populaie neechilibrat se confirm i n cazul alelelor multiple cu condiia respectrii condiiilor impuse (populaia s fie mare, panmictic, s nu acioneze mutaia, migraia sau selecia).
Frecvenele genice ale alelelor multiple pot fi estimate uor pe baza frecvenelor genotipice dac genotipurile sunt distincte fenotipic unul de altul.
Frecvena homozigoilor pentru oricare din alele se nsumeaz cu jumtate din mrimea fiecrei clase de heterozigoi ce implic alela respectiv.
Deci n cazul a trei alele:p = p2 + pq +prq = q2 +pq +qr r = r2 +pr +qr
Uneori, dintr-o serie de alele prezint interes numai una singur. n aceste cazuri, un grup de alele multiple poate fi tratat ca o pereche de alele, considernd numai frecvena uneia dintre ele, de ex. A2 (reprezentat de q) i frecvena total a celorlalte, 1-q. Binomul HardyWeinberg devine n acest caz:
[q+(1-q)]2 = q2 + 2q(1-q) + (1-q)2
Populaiile n echilibru i sexul
Legea Hardy-Weinberg presupune identitatea frecvenelor genice la cele dou sexe.
Dac ntr-o populaie, masculii i femelele au frecvene genice diferite, populaia atinge echilibrul numai dup dou generaii: ntr-o generaie are loc egalizarea proporiilor alelice la cele dou sexe, iar genotipurile ajung n echilibru n urmtoarea generaie.
n cazul genelor plasate pe cromozomii sexului, alelele sunt repartizate inegal, fiind localizate pe cromozomi existeni n proporii diferite la cele dou sexe.
Vom considera cazul cu femele homogametice (XX) i masculi heterogametici (XY).
Femelele poart dou treimi din alele, iar masculii numai o treime.
S considerm cazul unei singure perechi de alele A i a cu urmtoarele genotipuri i frecvene:
Femele MasculiGenotipuri AA Aa aa A aFrecvene x y z m n
n determinarea frecvenelor genotipice i genice n cazul alelelor legate de sex, fiecare sex se trateaz ca subpopulaie separat.
Frecvenele genice la femele se determin n acelai mod ca n cazul unei gene autozomale, adic: p = x + y, iar la masculi frecvenele genice sunt identice cu frecvenele genotipice, p = m i q = n.
Populaia este n echilibru sau ajunge n echilibru ntr-o singur populaie de panmixie, dac q = q.
Cnd n populaie exist acelai numr de masculi i femele, frecvena genic a alelei a n ntreaga populaie, qT, este:
qT = q+ q
Dac q i q sunt inegale, populaia nu este n echilibru.
n acest caz, nu se atinge echilibrul ntr-o singur generaie de panmixie, i nici n dou, ci populaia se apropie de acest echilibru n mai multe generaii.
Frecvenele genice separate la cele dou sexe (q i q) oscileaz de la o generaie la alta, datorit faptului c q dintr-o anumit generaie este egal cu q din generaia precedent, iar q dintr-o generaie dat este echivalent cu q + q din generaia precedent.
Variabilitatea genetic n populaii
Variabilitatea genetic din populaii este important din mai multe motive: Determin potenialul schimbrilor evolutive i adaptrii; Furnizeaz date despre importana forelor evolutive
deoarece unele dintre ele cresc nivelul variabilitii, altele o scad;
Modul n care apar noi specii depinde de nivelul variabilitii genetice din interiorul populaiilor.
Din aceste motive este important msurarea variabilitii genetice n ncercarea de a nelege forele evolutive, modul i direcia lor de aciune.
O gen sau o trstur fenotipic este polimorf n populaie dac exist mai mult dect o form a genei sau mai mult dect un fenotip pentru acel caracter.
n unele cazuri apropape n ntreaga populaie exist doar o form a genei sau a caracterului i doar n mod excepional apar indivizi cu o alt form.
Forma comun este denumit, forma slbatic spre deosebire de forma mutant, extrem de rar.
n alte cazuri, dou sau mai multe forme ale genei sau caracterului sunt frecvente n populaie i este greu de spus care este forma slbatic.
Observarea i msurarea variabilitii
Polimorfismul proteinelor
Un exemplu de astfel polimorfism n populaia uman este cel din sistemul HLA de antigeni celulari, implicai n reglarea sistemului imun.
Genele sunt localizate pe cromozomul 6 i codific proteine de suprafat celular care prezint antigenii dar au i multe alte funcii.
Genele HLA reprezint versiunea uman a genelor complexului major de histocompatibilitate (MHC) care se ntlnesc la majoritatea vertebratelor.
Locii pentru MHC sunt unii dintre locii codificatori cu cea mai mare variabilitate la mamifere i la oameni.
Cei 6 loci au un mare numr de alele detectate n popula ia uman .
Cele mai variabile sunt HLA B i HLA DRB1. Numrul de alele identificate pn n prezent sunt prezentate n tabelul de mai jos.
Fiecare alel difer de celelalte alele cel pu in printr-o nucleotid (polimorfismul unei singure nucleotide, SNP). Cea mai mare parte a acestor schimbri determin modificri n secventa de amino acizi care vor genera modificri functionale ale proteinelor.
MHCclassIlocus
MajorAntigensHLAA 2,884HLAB 3,589HLAC 2,375
MinorAntigensHLAE 15HLAF 22HLAG 50
Variaia n secvena de aminoacizi a unei proteine poate fi detectat prin secvenierea ADN-ului care codific acea protein la un mare numr de indivizi.
Aceast metod poate fi folosit dac se dorete cunoaterea exact a aminoacidului care variaz, dar e o metod care necesit mult timp i este costisitoare dac ne gndim la secvenierea unui mare numr de gene.
Exist ns o alternativ practic la secvenarea ADN i anume electroforeza proteinelor, metod care poate detecta formele diferite ale unei proteine (substituia unui aminoacid altereaz ncrctura electric i deci mobilitatea electroforetic), fr a pemite ns cunoaterea aminoacidului care variaz.
Electroforeza proteinelor se realizeaz n gel de poliacrilamid.
Pentru denaturarea i solubilizarea proteinelor, acestea sunt tratate, nprealabil, cu dodecil sulfat de sodiu (SDS), la temperaturi ridicate.
Proteinele, astfel denaturate, au o sarcin electric negativ uniform astfel nct toate proteinele vor migra n gel numai func ie de m rimea lor.
Dup colorare, mrimea proteinelor este apreciat pe baza unor markeri de greutate molecular (amestec de fragmente proteice de dimensiuni cunoscute) care sunt migra i mpreun cu proteinele dar n godeuri separate.
Electroforeza proteinelor n gel de poliacrilamid poate fi folosit i pentru determinarea punctului izoelectric al proteinelor (pI). Aceast tehnic este denumit focusare izoelectric.
n acest tip de electroforez gelul este fcut ntr-un amestec de amfoli i, ntr-un tub sub ire de sticl .
Rolul amfoli ilor este de a stabili n tubul de electroforez un gradient de pH.
Proteinele se vor opri din migrat n gel atunci cnd ajung n punctul n care amfolitii au stabilit un pH egal cu punctul izoelectric al proteinei, (PI=valoarea de pH la care o molecul nu are ncrctur electrica net).
Electroforeza n dou dimensiuni
Electroforeza proteinelor difer fundamental de alte metode de analiz permind studiul genelor care nu apar ca variabile n populaie.
Cu aceste metode s-a stabilit c o treime din genele ce codific proteine sunt polimorfice iar media de heterozigoi ntr-o populaie este de cca. 10%.
Aceasta nseamn c: una din 10 gene ale unui individ este n stare heterozigot,
fapt ce se reflect n secvena de aminoacizi a proteinei;
o treime din toate genele au dou sau mai multe alele care segreg n populaie
Deci, potenialul de variabilitate pentru evoluie este imens.
Dezavantajul tehnicii electroforetice este acela c ea reflect doar variabilitatea de la nivelul secvenelor codificatoare ale genelor n timp ce variabilitatea de la nivelul regiunilor reglatoare sau a intronilor nu poate fi detectat pe aceast cale.
Analiza ADN face posibil examinarea variabilitii n structura genomului att la nivelul indivizilor dintr-o specie ct i ntre specii.
Analiza genetic a polimorfismului poate fi efectuat la trei nivele:
1. Examinarea variaiei numrului i morfologiei cromozomilor furnizeaz o imagine de ansamblu a reorganizrilor de la nivelul genomului.
2. Studiul variaiei la nivelul situsurilor recunoscute de enzimele de restricie ofer o imagine a variaiei perechilor de baze.
3. Secvenierea ADN-ului permite observarea variaiei fiecrei perechi de baze.
Dei cariotipul este privit ca fiind distinct i caracteristic pentru fiecare specie, la numeroase specii cariotipul este polimorf ca numr i morfologie a cromozomilor.
Tabelul de mai jos prezint frecvenacromozomilor supranumerari i atranslocaiilor ntr-o populaie de Clarkia elegansdinCalifornia.
Cariotipul tipic al speciei va fi greu deidentificatncondiiilencareladoar56%din indivizi lipsesc cromozomiisupranumerarisautranslocaiile.
.
O cale rapid i necostisitoare de a observa nivelul general de variaie n secvenele de ADN const n digestia lui cu enzime de restricie.
Se cunosc numeroase enzime de restricie; fiecare dintre ele recunoate o secven diferit de nucleotide i taie ADN-ul la nivelul acestei secvene.
Vor rezulta fragmente de ADN a cror lungime este dat de localizarea situsului de restricie din molecula original, netiat.
O enzim de restricie care recunoate o secven de ase nucleotide, va recunoate secvena adecvat odat la 46 =4096 perechi de baze de-a lungul moleculei de ADN.
Dac pentru una din cele ase baze ale situsului de aciune a enzimei exist polimorfism n populaie, enzima va recunoate i va tia ADN-ul numai acolo unde secvena nu este modificat.
Ca urmare, n populaie va aprea deci un polimorfism al lungimii fragmentelor de restricie (RFLP).
Folosind, s zicem, 8 enzime diferite care taie ADN la o secven de 6 baze, specific fiecreia, vom analiza la fiecare 4096/8500 pb pentru un astfel de polimorfism.
Dac vom folosi enzime ce recunosc o secven de 4 baze, atunci va exista un situs de tiere la fiecare 44 = 256 pb, iar dac folosim 8 astfel de enzime putem scana genomul odat la 256/8 = 32 pb de-a lungul moleculei de ADN.
Pe lng modificrile la nivelul unei pb care distrug situsul de aciune al unei enzime de restricie, aceast tehnic permite i identificarea deleiilor sau inseriilor, unor grupuri de nucleotide, care au loc ntre situsurile de aciune a enzimelor de restricie.
Analiza fragmentelor de restricie poate releva i o alt form de variaie a secvenelor de ADN care rezult ca urmare a secvenelor repetate n tandem.
Aceste secvene sunt cunoscute sub numele de: numr variabil de repetri n tandem (VNTRs).
Numrul de repetri poate varia de la 12 pna la cca. 100 la nivelul genomurilor diferiilor indivizi ai unei populaii.
Dac enzima de restricie taie secvena ce flancheaz ambele capete ale unei secvene repetate n tandem, fragmentul care rezult va avea o mrime proporional cu numrul elementelor repetate.
Fragmentele de dimensiuni diferite vor migra cu o rat diferit ntr-un gel de electroforez.
Polimorfisme ale nucleotidelor, la nivelul ntregului genom pot fi detectate cu ajutorul unei tehnici numite RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA), o tehnic bazat pe PCR.
In principiu, RAPD folosete un singur tip de amors oligonucleotidic cu secven arbitrar, spre deosebire de PCR standard, care folosete o pereche de amorse, de secven specific.
Rezultatul amplificrii cu o amors de secven arbitrar este c unul sau mai multe fragmente de ADN cu secven anonim vor fi amplificate.
Deoarece ordinea bazelor dintr-o amors este ntmpltoare nu este necesar cunoaterea prealabil a secvenelor fragmentelor care vor fi amplificate.
De altfel, ceea ce intereseaz nu este secvena fragmentelor amplificate ci existena amplificrii i dac aceasta exist, care este profilul benzilor formate n gel de produii de amplificare.
Amplificarea cu aceeai amors la dou sau mai multe genomuri diferite, poate releva diferene ale profilului de benzi, diferene care pot consta n absena unor benzi sau prezena unora suplimentare comparativ cu profilul cu care se face comparaie.
Sgeile reprezint multiple copii ale amorsei (toate au aceeai secven).
Direcia sgeilor indic sensul n care are loc sinteza ADN-ului;
Numerele reprezint situsurile de la nivelul ADN-ului la care se ataeaz amorsele;
Aa cum se poate observa, amorsa nu se mai poate ataa la secvena 2 i deci produsul de amplificare A nu va mai aprea.
RAPD cu amorse diferite la 3 indivizi (stnga) i 5 indivizi (dreapta) aparinnd aceleiai specii.
Desigur c cea mai precis tehnic de studiu a plimorfismului ADN rmne secvenierea.
Astfel de studii au artat c diferite regiuni ale aceleiai proteine au niveluri diferite de polimorfism.
Secvenierea permite studiul polimorfismului genetic la nivelul secvenelor reglatoare.
Se presupune c multe schimbri evolutive (form, fiziologie sau comportament) sunt datorate modificrilor de la nivelul secvenelor reglatoare.
Exist, de asemenea, variabilitate la nivelul intronilor, i la nivelul acelor nucleotide ale unui codon (de regul a treia nucleotid) care nu duc la substituia aminoacidului (aa).
Acest polimorfism numit tcut sau sinonim este mult mai comun dect cel care duce la nlocuirea unui aa.
n concluzie, la nivelul speciei exist un grad nalt de variabilitate genetic; aceast variabilitate se manifest att la nivel cromozomial ct i la nivelul ADN, chiar dac nu are efecte fenotipice.
Consanguinizarea
Condiia cea mai important a modelului Hardy-Weinberg, panmixia n populaiile mari este o situaie ideal, care se ntlnete rareori n realitate.
Indivizii tind s se mperecheze cu ali indivizi din apropiere i, n funcie de mrimea arealului ocupat i de mobilitatea indivizilor, o populaie mare se subdivide mai mult sau mai puin n subpopulaii mai mici, n care indivizii se ncrucieaz ntre ei.
Dac ncrucirile ntre indivizi nrudii apar cu o frecven mai mare dect cea datorat ntmplrii, atunci are loc consanguinizarea.
Doi indivizi sunt considerai ca nrudii dac au cel puin un strmo comun.
O populaie supus unui sistem de consanguinizare (autofecundare repetat sau ncruciri ntre rude) se mparte ntr-o serie de linii reproductiv independente (subpopulaii), n care are loc creterea homozigoiei i modificarea frecvenelor genotipice.
S lum n considerare o populaie format exclusiv din heterozigoi, Aa, care se reproduce exclusiv prin autofecundare.
Dup o generaie descendena va fi alctuit din AA, Aa i aa.
Se constat c numai 50% din indivizi sunt heterozigoi.
Dac autofecundarea continu, indivizii AA vor genera doar descendeni AA iar cei aa vor da natere doar la descendeni aa.
Din autofecundarea heterozigoilor Aa, vor rezulta numai 50% heterozigoi iar cealalt jumtate vor fi homozigoi ( AA i aa).
Deci n fiecare generaie de autofecundare, procentul heterozigoilor se reduce cu 50%.
Dup un numr infinit de generaii, heterozigoii vor disprea, populaia urmnd s fie alctuit numai din cele dou genotipuri homozigote.
Frecvena celor dou alele rmne constant n timp ce frecvena celor trei genotipuri se modific dramatic.
Gradul de consanguinizare ntr-o populaie se msoar de obicei cu ajutorul coeficientului de consanguinizare F, care exprim cantitatea de heterozigoie care s-a pierdut.
Coeficientul de consanguinizare este i o msur a identitii alelice.
Dei cele dou alele ale unui homozigot sunt considerate identice ca structur i funcie, ele pot avea origine ntr-o aceeai alele ancestral sau nu.
Dac provin din surse diferite ele sunt considerate independente; dac reprezint copii ale uneia i aceiai alele ce a existat ntr-o generaie anterioar, ele sunt identice.
Prin identitate alelic nelegem deci, faptul c cele dou alele ale unui locus sunt identice ca origine, adic cei doi gamei care au format zigotul proveneau de la prini nrudii i purtau alele care erau produi de replicare ai unei singure gene de la un strmo comun.
Valoarea F a unui individ depinde de nrudirea genetic dintre prinii si i poate fi determinat direct din pedigriul su.
De ex. s calculm probabilitatea ca un descendent s fie homozigot cu alele identice cnd prinii si sunt frai iar cei doi bunici nu aparin unor linii pure.
Nefiind nrudii, bunicii poart alele independente care pot fi notate cu A1 i A2 la bunic i cu A3 i A4 la bunic.
Bunici nenrudii Bunic Bunic (A1A2) (A3A4)
Prini nrudii Tat Mam
Descendent consanguin Fiu
1. Tatl primete jumtate din genele sale de la bunic; probabilitatea ca gena A1 s existe la tat este de ; dac A1 exist la tat probabilitatea transmiterii la fiu este tot de . Deci ansa ca fiul s primeasc gena A1 de la bunic prin intermediul tatlui este de x =
2. n mod asemntor, ansa ca fiul s moteneasc alela A1 de la bunic prin intermediul mamei este de .
3. Probabilitatea ca fiul s moteneasc dou gene A1 (adic s fie homozigot cu alele identice) este produsul celor dou probabiliti de mai sus, adic: x = 1/16.
4. Tot aa, probabilitatea ca fiul consanguin s aib dou alele A2 este de 1/16 , dou A3 este de 1/16 sau dou A4 este de 1/16.
Deoarece exist 4 posibiliti de identitate alelic, fiecare cu probabilitatea de 1/16, identitatea alelic total pentru un locus este de 4 x 1/16= .
Altfel exprimat, 25% dintre toi locii vor fi homozigoi cu alele identice n descendena unei ncruciri ntre frai.
Coeficientul de consanguinizare al unui descendent rezultat din ncruciarea ntre frai de un singur printe este de 1/8, iar cel al unui descendent din ncruciarea ntre veri primari este de 1/16.
ncruciarea ntre rude apropiate poate avea efecte duntoare.
S lum n considerare o boal metabolic grav, produs de o alel recesiv n stare homozigot.
Dac frecvena n populaie a alelei recesive (p) este 1/1000, frecvena descendenilor homozigoi ai unui cuplu de indivizi nenrudii va fi (p2) de 1 la un milion.
Dac prinii sunt frate sor, iar unul din prinii lor este heterozigot pentru gena n cauz, este posibil ca amndoi prinii s moteneasc alela mutant i ca amndoi s o transmit descendentului lor.
Probabilitatea ca descendentul lor s fie homozigot pentru o alel recesiv provenit de la un bunic va fi de 1/16.
n populaia uman exist numeroase alele recesive care n stare homozigot produc boli grave i fiecare dintre noi este heterozigot pentru mai multe astfel de gene.
Prin urmare, ansele sunt foarte mari ca urmaul unei ncruciri frate-sor s fie homozigot pentru cel puin una dintre ele.
Consanguinizarea nu duce ntotdeaunala exprimarea unor alele recesive cu efect nociv; uneori se pot homozigota i alele cu efect benefic asupra indivizilor.
Surse ale variabilitii
Pentru o populaie exist trei surse de variabilitate i anume: mutaia, recombinarea i imigrarea de gene.
Recombinarea ntre gene, prin ea nsi, nu genereaz variabilitate dect dac exist variabilitate alelic care s permit segregarea; altfel nu exist nimic de recombinat.
n mod similar migraia nu poate furniza variabilitate dac ntreaga specie este homozigot pentru o alel.
n consecin, sursa primar i esenial a variabilitii rmne mutaia.
Mutaiile reprezint sursa primar a variabilitii dar procesul mutaional n sine nu genereaz schimbri semnificative n populaie, ntr-o generaie.
Rata schimbrii frecvenei genelor ca urmare a mutaiilor este foarte mic pentru c rata de apariie a mutaiilor spontane e foarte mic.
Rata mutaiilor punctiforme la diferite organisme.
Rata mutaional este definit ca probabilitatea ca o copie a unei alele s se modifice ntr-o alt alel, ntr-o generaie.
Deci creterea frecvenei unei alele mutante va fi produsul dintre rata mutaiei i frecvena alelei ce nu a suferit mutaie.
S presupunem c ntr-o populaie complet homozigot, AA, apare mutanta a cu o rat de 1/100,000/ gamei nou formai.
n urmtoarea generaie, frecvena alelei a va fi de numai 1.0 x 1/100,000 = 0.00001, iar frecvena lui A va fi de 0.99999
Dup nc o generaie, frecvena lui a va crete cu 0.99999 x 1/100,000 = 0.000009 la o nou frecven de 0.000019, n timp ce frecvena alelei originale va fi redus la 0.999981.
Este evident c rata de cretere a frecvenei noii alele este foarte mic i crete foarte ncet n fiecare generaie.
Rata mutaiilor este att de mic nct mutaiile singure nu pot determina modificri genetice rapide a populaiilor i speciilor.
Dac pt este frecvena allelei A n generaia t, dac qt=1-pt este frecvena allelei a in generaia t, i dac nu exist alte cauze care s modifice frecvena genelor (selecia natural de ex.), atunci schimbarea frecvenei alelice ntr-o generaie este:p = pt - pt-1 = (pt-1- pt-1) - pt-1 = - pt-1, unde pt-1 este frecvena n generaia precedent iar este rata mutaiei
Aceasta ne spune c frecvena lui A descrete (i frecvena lui a crete) proporional cu rata mutaiei ( ) i cu proporia p a tuturor genelor care pot suferi mutaii (din A n a).
Deci p devine tot mai mic pe msur ce p descrete pentru c vor fi tot mai puine alele A care s sufere mutaie n a.
Putem aproxima c dup n generaii de mutaii, pn = p0e-n
unde e este baza logaritmilor naturali.
Modificarea, de-alungul generaiilor, frecvenei alelei A ntr-o populaie, prin mutaii din A n a cu o rat a mutaiilor ( ) de 10-5
Dac la nceput n populaie sunt numai alele A (p0= 1.0), dup 10000 de generaii, alelele a vor fi ntr-un procent de doar 10% i va fi nevoie de nc 60000 de generaii pentru ca p s ajung la o valoare de 0,5.
n cea mai mare parte a cazurilor, calculul ratei mutaionale este determinat ca suma tuturor mutaiilor unei gene oarecare A n orice form mutant cu un efect detectabil.
Procesul mutaional este i mai lent dac avem n vedere creterea frecvenei unui tip particular de alel.
n concluzie, rolul principal al mutaiei n evoluie este producerea variabilitii mai mult dect conturarea caracterului acesteia.
Recombinarea ca surs de variabilitate
n sens larg, prin recombinare se nelege procesul unirii a dou forme parentale (organisme, celule, molecule) cu constituie genetic diferit i producerea de descendeni n care constituiile genetice ale prinilor sunt asociate ntr-o nou combinaie.
n sens restrns recombinarea este procesul asocierii ntr-o combinaie nou a genelor diferite existente la formele parentale.
La eucariote, recombinarea se efectueaz prin libera combinare a cromozomilor in procesul reproducerii sexuate, prin crossing-over sau prin conversie genic.
O surs imediat de variabilitate la nivelul genotipului este recombinarea alelelor mutante care au fost acumulate n prealabil i pstrate n populaii.
Combinaiile parentale de gene ale gameilor se unesc prin fecundare. Aceste combinaii pot fi distruse n meioz prin crossing-over.
Recombinarea poate genera un numr enorm de genotipuri dintr-un mic numr de alele diferite la nivelul ctorva loci.
Dac numrul de loci care segreg este n iar numrul de alele la fiecare locus este r, numrul de genotipuri ce pot aprea prin recombinare este:
r(r+1) n 2
De ex., considernd 10 loci cu cte 4 alele posibile la nivelul fiecruia, numrul teoretic de genotipuri diploide care pot fi formate este de 10 miliarde!
Formarea a numeroase genotipuri se poate datora fie unui numr mare de loci care segreg (n), fie unui numr mare de alele la nivelul fiecrui locus (r), fie, ambilor factori.
Importana recombinrii ca surs de variabilitate devine i mai evident dac analizm organisme la care recombinarea lipsete, i anume cazul organismelor asexuate.
n cazul formelor asexuate, ntreaga variabilitate are la baz mutaia.
Formarea unei anumite combinaii avantajoase de gene are loc numai dup ce s-au format toate alelele componente, prin mutaii succesive deoarece mutaiile produse la clone separate nu pot fi schimbate ntre forme n absena reproducerii sexuate.
Din acest exemplu putem nelege semnificaia sexualitii: ea este un mecanism prin care se poate realiza schimbul de gene ntre linii separate de evoluie; mutaiile pot fi acumulate i apoi redistribuite ntr-o multitudine de genotipuri prin recombinare.
Microorganismele asexuate se pot adapta la condiii care se modific lent deoarece se reproduc rapid i dau natere la populaii enorme, compensnd astfel rata sczut a mutaiilor.
Migraia
O alt surs de variaie o reprezint imigrarea unor indivizi dintr-o alt populaie cu frecvene genice diferite.
Populaia care va rezulta va avea o valoare a frecvenei alelelor oarecum intermediar ntre valoarea iniial din populaie i valoarea din populaia donatoare (indivizii ce au ptruns n populaie sau imigranii).
S presupunem c ntr-o populaie ptrunde un grup de imigrani care cuprinde cca. 10% din numrul de indivizi ai populaiei n care ptrunde.
Noua populaie va avea o frecven a alelelor care va fi un amestec de 0,90 : 0,10, ntre frecvena iniial a alelelor i frecvena alelelor din populaia donatoare.
Dac iniial frecvena alelei A a fost 0,7 n timp ce la imigrani a fost de doar 0,4, n noua populaie ce va rezulta din amestecul indivizilor, frecvena alelei A va fi (0,7 x 0,9) + (0,4 x 0,1) = 0,67.
Modificrile n frecvena genelor sunt proporionale cu diferena dintre frecvenele din populaia btina i cea a imigranilor.
Spre deosebire de rata mutaiei, rata migraiei (m) poate fi mare astfel nct dac diferena n ce privete frecvena alelelor dintre btinai i imigrani este mare, schimbrile pot fi substaniale.
Selecia
Pn acum am trecut n revist modificrile ce pot aprea ntr-o populaie ca urmare a mutaiei, migraiei, recombinrii i a sistemului de ncruciare.
Aceste schimbri nu pot ns s explice de ce organismele sunt att de bine adaptate la mediul lor de via, deoarece ele sunt ntmpltoare fa de modul n care organismele supravieuiesc n anumite condiii de mediu.
Adaptarea este procesul prin care, apariia i dezvoltarea unor caractere fac ca organismul s se ncadreze mai bine n mediul de via.
Mutaia, migraia i deriva genetic influeneaz adaptarea, dar adaptarea rezult ca urmare a seleciei naturale care este fora dominant a evoluiei
n interiorul unei specii, schimbrile ce apar ca rspuns la modificarea condiiilor de mediu sunt datorate faptului c diferitele genotipuri produse de recombinare i mutaii au anse diferite se supravieuire i reproducere.
Darwin a denumit procesul de supravieuire i reproducere diferit a organismelor ca selecie natural prin analogie cu selecia artificial pe care o practicau amelioratorii de plante i animale.
Darwin a definit selecia natural ca fiind n primul rnd o lupt pentru supravieuire.
Desigur, supravieuirea indivizilor este important dar cel mai important aspect al seleciei naturale l reprezint capacitatea reproductiv a indivizilor care supravieuiesc.
Asta nseamn c indivizii cu anumite gene produc mai muli urmai deci genele lor vor crete ca frecven n generaia urmtoare.
Prin urmare, prin selecie natural, trsturile care contribuie la supravieuire i reproducere vor deveni tot mai frecvente n populaie.
Pe aceast cale organismele se adapteaz la mediul lor de via.
Selecia natural se msoar prin fitness, care este definit ca i abilitatea relativ de reproducere a unui genotip.
De obicei, un fitness de 1 este atribuit genotipului care produce cei mai muli urmai iar fitnessul celorlalte genotipuri este calculat prin raportare la acesta.
De ex. genotipul G1G1 produce n medie 8 urmai, genotipul G1G2 produce n medie 4 urmai iar G2G2 produce 2 urmai.
Primul genotip produce cel mai mare numr de urmai deci va avea un fitness de 1 (W11= 1).
Pentru genotipul G1G2, W12= 4/8 =0,5 iar pentru G2G2, W22= 2/8 =0,25.
Fitnessul este o consecin a relaiei dintre genotipul organismului i mediul n care acesta triete i deci acelai genotip va avea un fitness diferit n medii de via diferite.
Unul din motive este acela c organisme identice genotipic pot avea fenotipuri diferite dac dezvoltarea are loc n medii diferite.
Nici un genotip nu este superior n fitness tuturor celorlalte , n toate mediile de via.
Orict de puternic i sntos este posesorul unui anume genotip, el va avea un fitness egal cu 0 dac nu las urmai.
Fitnessul unui genotip este o consecin a tuturor efectelor fenotipice ale genelor implicate n fertilitate i viabilitate.
Astfel o alel care dubleaz fertilitatea individului care o poart dar reduce durata medie de via a posesorului cu cca. 10%, va determina un fitness mai mare dect alternativa sa adic, crete durata de via cu cca. 10% dar njumtete fertilitatea.
Cel mai comun exemplu este cel al ngrijirii puilor.
O pasre adult care consum mult energie pentru a face rost de hrana necesar puilor si va avea o ans de supravieuire mai mic dect una care pstreaz pentru ea toat mncarea.
O pasre foarte egoist nu va lsa urmai deoarece puii ei nu se pot hrni singuri.
n consecin, selecia natural favorizeaz ngrijirea puilor.
Datorit faptului c diferenele dintre genotipuri n ceea ce privete reproducerea i supravieuirea depind de mediul de via, precum i datorit faptului c organismele pot altera propriul mediu de via, exist dou forme de baz ale seleciei.
n cel mai simplu caz, fitnessul unui individ nu depinde de compoziia populaiei; el este, mai degrab o proprietate fix a individului condiionat de mediul de via.
De ex., capacitatea a dou plante care triesc n mijlocul deertului de a absorbi destul ap depinde de ct de lungi le sunt rdcinile i de ct ap pierd prin transpiraie.
Prin urmare ansa lor de a supravieui i de al lsa urmai nu depinde de ct de rar sau frecvent este genotipul lor, deci nu depinde de structura populaiei n care ele triesc.
n acest caz fitnessul este independent de frecven.
Spre deosebire de cazul menionat mai sus, s analizm situaia a dou organisme care concureaz pentru capturarea przii sau pentru a evita s fie capturate de prdtor.
n acest caz, abundena fiecruia din cele dou genotipuri va afecta fitnessul.
n acest caz vorbim de o selecie dependent de frecven deoarece fitnessul unei categorii se modific pe msur ce devine mai mult sau mai puin frecvent n populaie.
n natur, o foarte mare parte a proceselor selective sunt dependente de frecven.
Cinetica schimbrilor n frecvena alelelor n aceast situaie este greu de estimat i de aceea este greu de generalizat; cu toate acestea, att calcul matematic ct i realitatea arat faptul c frecvena alelelor care contribuie la un fitness ridicat crete n populaie, de-a lungul generaiilor.
Coeficientul de selecie este o msur a intensitii relative a seleciei mpotriva unui genotip.
Coeficientul de selecie se simbolizeaz cu s i este egal cu 1-W.
n exemplul nostru, coeficientul de selecie este s = 0 pentru G1G1, s = 0,5 pentru G1G2 i s = 0,75 pentru G2G2.
Deriva genetic (driftul genetic)
Forele evoluiei (mutaia, migraia i selecia) modific frecvena genelor ntr-un mod previzibil att cantitativ ct i calitativ.
n afar de forele sus-amintite exist i fore care produc schimbri n frecvena genelor cnd ntr-o direcie, cnd n alta.
Una din aceste fore, care acioneaz n populaiile mici i ale crei efecte pot fi previzibile cantitativ dar nu i direcional, este deriva genetic sau driftul genetic.
Prin drift genetic se nelege fluctuaia ntmpltoare a frecvenei genelor ca efect al procesului de alctuire a probei de gamei n populaiile mici.
Se poate spune c driftul genetic reprezint fluctuaia ntmpltoare a frecvenei genelor datorit accidentelor de eantionaj ale gameilor, n populaiile mici.
Driftul genetic ar trebui s ne par familiar deoarece este doar o alt abordare a consanguinizrii, n populaiile mici.
Populaiile care descind dintr-un foarte mic numr de strmoi, prezint o mare probabilitate ca toate copiile unei anumite alele s fie identice ca urmare a faptului c sunt copii ale unei alele ancestrale.
Fie c vorbim de o consecin a consanguinizrii fie ca ne referim la efectele erorilor de eantionaj ale gameilor, efectul este acelai.
n aceste populaii nu se va reproduce exact constituia genetic a indivizilor care o constituie; vor avea loc modificri ntmpltoare ale frecvenei genelor.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor Penetrabilitatea i expresivitatea genelor Interaciunea dintre gene i mediu Aciunea temporal i temporar a genelor Pleiotropia Alele letale Alele multiple (polialelia ) Interaciunea genelor Motenirea caracterelor continue Aciunea polimer a genelor
Reglarea activitii genelor Reglarea activitii genelor la bacterii
ARN antisens i reglajul genetic la procariote Controlul transcriptional la Bacteriofagul
Reglajul genetic la eucariote Structura cromatinei i reglajul genetic Reglajul la nivelul transcrierii Reglajul genetic la nivel translaional i posttranslaional Citodiferenierea i originea de noi gene Cancerul-mecanisme genetice implicate
Genetica populaiilor
Thesecretofgettingthingsdoneistoact!
Alighieri Dante
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Situaia n care una i aceeai gen poate determina simultan mai multe caractere ale unui organism se numete pleiotropie.
Culoarea alb a ochiului la Drosophila este determinat de gena white (w), care este responsabil i de culoarea i forma unor organe interne, precum i de fecunditatea i durata de via sczute.
La Aquilegia vulgaris (cldrua), gena responsabil de culorea florilor i de coloritul intens al endospermului determin, de asemenea, lungimea tulpinii i greutatea seminelor.
La om, anomalia degete pianjeniforme merge mpreun cu anomalii ale cristalinului.
Aciunea fenotipic multipl a genelor - pleiotropia
Complexitatea determinrii genetice a caracterelorAciunea fenotipic multipl a genelor - pleiotropia
Gene alele
n 1905, Lucien Cuenot a descoperit un pattern anormal de ereditate la oareci.
O alel letal este una care provoac moartea n stadiile timpurii ale dezvoltrii - adesea nainte de natere - i astfel un anumit genotip poate s nu mai apar la urmai.
Cnd a ncruciat doi oareci galbeni, aproximativ 2/3 din urmai au fost cu blana de culoare galben iar 1/3 au avut blana de culoare normal.
Analiza genotipurilor a demonstrat c toi oarecii cu blana de culoare galben erau heterozigoi (Gg sau Yy); nu a reuit niciodat s identifice un genotip homozigot (GG sau YY).
Aciunea genelor asupra viabilitii organismelor
Alele letale
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
n mod normal, aceast ncruciare ar trebui s produc: YY, Yy, yy.
Iniial, Cuenot a ncruciat doi oareci heterozigoi pentru culoarea galben a blnii: Yy x Yy.
oareci homozigoi pentru genotipul YY sunt concepui, dar nu ajung niciodat la o dezvoltare complet i aa se explic raportul de 2:1 (Yy:yy) la urmai.
Toi oarecii cu blana de culoare galben sunt heterozigoi (Yy).
Alele letale
Complexitatea determinrii genetice a caracterelorAciunea genelor asupra viabilitii organismelor
Alele letale
Complexitatea determinrii genetice a caracterelorAciunea genelor asupra viabilitii organismelor
Cnd dou plante cu frunze galbene sunt ncruciate, 2/3 din urmai au frunze galbene i 1/3 frunze verzi.
Un alt exemplu de alel letal, a fost descris de Erwin Baur n 1907, la gura leului.
Cnd plante cu frunze verzi se ncrucieaz ntre ele, toi urmaii au frunze verzi; totui, cnd o plant cu frunze galbene se ncrucieaz cu o plant cu frunze verzi, din urmai au frunze verzi i au frunze galbene, ceea ce confirm c toate plantele cu frunze galbene sunt heterozigote.
Un raport de segregare de 2:1 este produs aproape totdeauna de o alel recesiv letal.
Alele letale
Complexitatea determinrii genetice a caracterelorAciunea genelor asupra viabilitii organismelor
Spre deosebire de efectul asupra viabilitii, efectul alelei asupra culorii este dominant; att la oareci ct i la gura leului, o singur copie a alelei la heterozigoi produce culoarea galben.
n ambele exemple, alelele letale sunt recesive deoarece ele provoac moartea numai n stare homozigot.
Alelele letale pot fi, de asemenea, dominante; n acest caz, att homozigoii ct i heterozigoii mor.
Alelele letale dominante adevrate nu pot fi transmise dect dac se exprim dup ce se ajunge la maturitate sexual ca n cazul bolii Huntington.
Alele letale
Complexitatea determinrii genetice a caracterelorAciunea genelor asupra viabilitii organismelor
Alele multiple (polialelia)
Alelele pot fi definite i ca alternative ale aceleiai gene, controlnd expresii diferite ale unui anumit caracter al organismului.
In urma mutaiei unei gene de tip slbatic care de regul este dominant (A) apare alela sa recesiv (a). Mutaia este mult mai rar n sens invers (a A).
Procesul mutaional s-a desfurat progresiv n timp i a dus uneori la apariia succesiv a mai multor alele (a1, a2, a3,....an) care controleaz expresia aceluiai caracter.
Asemenea gene poart denumirea de polialele sau alele multiple
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Organismele diploide prezint prin definiie numai dou alele la un moment dat.
Acest aspect este datorat prezenei cromozomilor omologi sub form pereche, fiecare din cei doi cromozomi omologi coninnd doar una din cele dou alele ale unei perechi de gene.
Fenomenul polialeliei este un fenomen populaional, ceea ce nseamn c la unii indivizi ai populaiei, pe o pereche de cromozomi se afl alelele AA; la ali indivizi ai populaiei pe aceeai pereche de cromozomi omologi se va afla perechea a1a1, la alii a2a2, la alii a3a3, s.a.m.d.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Alele multiple (polialelia)
Un sistem de alele multiple este ntlnit la om n cazul determinrii grupelor de snge n sistemul ABO.
Apariia grupelor diferite de snge n acest sistem este datorat existenei a trei alele ale aceleiai gene (LA, LB i l) care pot determina apariia a patru grupe sangvine diferite :
A (LALA sau LAl); B (LBLB sau LBl), AB (LALB) i O (ll).
Apariia acestor grupe sangvine diferite este datorat prezenei a doi antigeni diferii (A i B).
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Alele multiple (polialelia)
Relaiile de dominan ntre alelele sistemului ABO pot fi reprezentate astfel: LA > l, LB > l, LA = LB; Alelele LA i LB sunt ambele dominante asupra lui l iar mpreun sunt codominante.
Fenotipul AB este datorat prezenei ambelor alele dominante (LA i LB), indivizii prezentnd pe suprafaa hematiilor ambii antigeni (A i B).
Un individ cu genotipul ll, nu va avea pe suprafaa hematiilor niciunul din antigenii A i B i va avea grupa O.
Modul de motenire a caracterelor determinate de alele multiple nu difer de cel al caracterelor determinate de dou alele.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Alele multiple (polialelia)
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Alele multiple (polialelia)
Un exemplu de alele multiple ntlnim la D. melanogaster n cazul genelor care determin culoarea ochilor.
Pentru aceast gen una din primele mutante cunoscute a fost numit white (w) deoarece ducea la apariia ochilor de culoare alb ca urmare a lipsei pigmenilor din ochi.
Ulterior au fost identificate numeroase alte alele care aveau un efect fenotipic intermediar ntre culoarea roie normal i cea alb.
Aceste aspecte fenotipice variate i caracteristice pentru fiecare alel n parte erau datorate unei cantiti diferite de pigmeni oculari, cantitate caracteristic ns pentru fiecare mutant n parte.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Alele multiple (polialelia)
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Alele multiple (polialelia)
Interaciunea genelor
In cazul experimentelor de dihibridare efectuate de G.Mendel perchile de alele se comportau independent unele de altele.
Independena privea dou aspecte:
1. Separarea n gamei a celor dou alele ale unei perechi se realiza independent de separarea alelelor celeilalte perechi;
2. Cele dou perechi de alele erau independente n ceea ce privete expresia fenotipic.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Adesea perechile de alele se separ independent unele de altele, n gamei dar nu acioneaz independent n ce privete expresia fenotipic.
Altfel spus, efectul fenotipic al unor gene de la un locus depinde de prezena unor gene din ali loci.
Acest tip de interaciune ntre efectele unor gene din loci diferii (gene nealele) este denumit interaciune genic.
n cazul interaciunii genice, produii unor gene din loci diferii concur n producerea unor fenotipuri noi care nu pot fi explicate prin participarea unei singure perechi de alele.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Interaciunea genelor
Un exemplu interesant de interaciune a genelor care nu determin modificarea raportului mendelian de segregare, ci numai apariia de fenotipuri noi, deosebite de ale genitorilor, a fost observat la ncruciarea ntre rase de galinacee cu tipuri diferite creast.
trandafir mazre simpl nuc
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Interaciunea genelor
Acest caracter s-a dovedit a fi determinat de dou perechi de gene nealele, Rr i Pp.
Exist patru tipuri alternative de creste : simpl (rrpp), mazre (rrPP sau rrPp), trandafir (RRpp sau Rrpp), i nuc (RRPP, RRPp, RrPP, RrPp, ).
Cnd se fac ncruciri trandafir x simpl sau mazre x simpl se obin urmtoarele rezultate :
Complexitatea determinrii genetice a caracterelorInteraciunea genelor
Aceste rezultate sunt tipice pentru segregarea de tip Pisum cu respectarea legitilor mendeliene (trandafir i mazre fiind ambele dominante asupra genei care determin forma simpl a crestei, form care apare datorit strii de homozigoie recesiv).
In urma ncrucirii trandafir x mazre ns, n F1 toi indivizii vor avea creasta tip nuc. In F2 vor aprea toate tipurile de creast n urmtoarele proporii : 9/16 nuc, 3/16 trandafir, 3/16 mazre i 1/16 simpl.
Din aceste ncruciri reiese faptul c din interaciunea celor dou gene dominante R i P apare un nou tip de creast, deosebit de cel al genitorilor, i anume tipul nuc.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Interaciunea genelor
Cnd dou sau mai multe gene nealele acioneaz asupra aceluiai caracter, o gen poate masca efectul celeilalte gene, cam n aceeai msur n care efectul unei gene recesive este mascat de alela dominant.
Acest fenomen prin care o gen poate masca sau suprima efectul unei alte gene nealele cu ea, a fost denumit epistazie.
Gena epistatic este o gen care aparine unei perechi de alele i mpiedec manifestarea unei gene dintr-o alt pereche de alele.
Gena supresat poart numele de gen hipostatic.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Epistazia
Fenomenul de epistazie este implicat n aproape toate tipurile de interaciune genic.
Dominana implic supresia genic intra-alelic (mascarea expresiei unei alele recesive de ctre alela dominant).
Epistazia cuprinde supresia genic inter-alelic (mascare expresiei unei gene se ctre o alt gen nealel cu ea).
Raportul fenotipic clasic 9:3:3:1 observat la descendenii unor prini dihibrizi se modific datorit epistaziei n raporturi care reprezint combinaii ale acesteia.
Gena epistatic poate fi dominant sau recesiv.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Epistazia
Gene epistatice dominante (12:3:1)
Fenomenul epistaziei dominante a fost observat la ncruciarea ntre dou varieti de Avena sativa, una cu boabe negre i alta cu boabe galbene.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Epistazia
Cele 12 combinaii care conin gena A n stare homozigot sau heterozigot sunt de culoare neagr.
3 combinaii care au gena dominant B n stare homozigot sau heterozigot, dar nu conin gena A sunt de culoare cenuie.
Combinaia cu ambele gene recesive (ab) produce boabe galbene.
Din cele de mai sus rezult faptul c gena dominant A mpiedec expresia genei dominante B i este deci epistatic pe cnd gena dominant, a crei aciune este inhibat este hipostatic.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Epistazia
Gene epistatice recesive (9:3:4)
Un exemplu de epistazie recesiv ni-l ofer ereditatea culorii blnii la anumite rase de cini. La ncruciarea ntre dou rase de cini, una homozigot galben cu una homozigot maron se obin n F1 numai descendeni de culoare neagr. Incrucirile indivizilor din F1 au produs descendeni n raportul de segregare de : 9 negru : 4 galben : 3 maron.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Epistazia
n acest caz alelele B i b produc culoarea neagr i respectiv maron, dar numai n prezena alelei dominante C.
Pentru a distinge aceast interaciune de o relaie dominan i recesivitate, se spune c cc este epistatic fa de B; adic homozigoia alelei c previne formarea oricrui pigment, indiferent de alelele pentru alte culori.
Efectul pe care alelele cc l au asupra genelor B si b poart numele de epistazie recesiv.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Epistazia
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Epistazia
In aceste cazuri c este o gen epistatic recesiv deoarece este nevoie de dou copii ale acestei gene pentru a masca pigmenii maron i negri.
Acest caz de epistazie nu este cauzat de o blocare a cii de sintez a pigmentului negru.
Cinii galbeni pot produce pigmentul maron sau negru aa cum se poate vedea la nivelul nasului i buzelor.
Gena c acioneaz prin blocarea depunerii pigmentului n blan.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Epistazia
Mecanismul molecular al epistaziei recesive la Collinsia parviflora Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Gene duplicate n epistazia recesiv
Albinismul se caracterizeaz prin lipsa pigmentului i este o caracteristic genetic ntlnit la multe plante i animale.
Producerea pigmentilor se face aproape ntotdeauna printr-un proces biochimic n mai muli pai; albinismul poate deci implica un fenomen de interaciune a genelor.
La melcul de ap dulce Physa heterostroha, albinismul poate
rezulta ca urmare a prezenei unor alele recesive n stare homozigot la oricare din doi loci diferii.
Cnd doi melci albino se ncrucieaz, este posibil ca toat generaia F1 sa fie pigmentat.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
n F2 9/16 din descendeni sunt pigmentai iar 7/16 sunt albino.
Raportul de 9:7 este generat probabil de producerea pigmentului ntr-un proces n doi pai.
Pigmentul (compusul C) este produs numai dup ce compusul A a fost transformat n produsul B de enzima I i dup ce produsul B a fost transformat de enzima II n produsul C.
Raportul de 9:7 apare cnd alele dominante la ambii loci (A_B_) produc pigment; orice alt genotip duce la apariia melcilor albino.
Albinismul este datorat lipsei compusului C.
n acest caz a este epistatic fa de B i b fa de A; ambele sunt gene epistatice recesive deoarece e nevoie de prezena ambelor copii ale oricrei din cele dou alele pentru a bloca producerea de pigment.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Gene duplicate n epistazia recesiv
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Gene duplicate n epistazia recesiv
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Gene duplicate n epistazia recesiv
Epistazia const n mascarea expresiei unei gene de ctre o alt gen de la un locus diferit de al primei (gen nealel).
Gena epistatic este cea care mascheaz expresia unei gene nealele.
Gena hipostatic este cea a crei aspect este mascat.
Genele epistatice pot fi dominante sau recesive.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Epistazia
n fiecare exemplu prezentat s-a observat o modificare a raportului de segregare de 9:3:3:1.
Modul de motenire a genelor ce produc aceste caracteristici nu difer de cel al genelor ce pentru caractere genetice simple.
Principiile mendeliene ale segregrii independente se aplic i n aceste cazuri.
Diferena const n modul n care produii genelor interacioneaz pentru a produce fenotipul.
Proporiile fenotipice sunt exprimate n aisprezecimi deoarece sunt implicate dou perechi de alele ce segreg independent.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Epistazia
Imaginat ion i s more important than knowledge . Imaginat ion i s more important than knowledge . Knowledge i s l imited . Imaginat ion enc i r c l e s the Knowledge i s l imited . Imaginat ion enc i r c l e s the
wor ld .wor ld .
Complementarea: test utilizat pentru a stabili dac dou fenotipuri mutante pentr acelai caracter, sunt cauzate de mutaii
la nivelul unei singure gene sau la nivelul a dou gene diferite. La Drosophila melanogaster white este o mutaie x-linkat
care produce ochi de culoare alb.
Apricot este tot o mutaie x-linkat care duce la apariia ochilor de culoarea caisei (portocaliu deschis).
Mutaiile white i apricot au aprut n acelai locus sau n loci diferii?
Putem utiliza testul de complementare pentru a rspunde la aceast ntrebare.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Testul este uor de aplicat. Se ncrucieaz dou forme mutante i se analizeaz F1.
Dac n F1 apare fenotipul slbatic putem concluziona c mutaiile au loc n gene alele diferite care mpreun contribuie la realizarea fenotipului.
Explicaie: dac dou gene nealele sunt implicate, fiecare pereche de alele va avea o mutaie n una din alele n timp ce cealalt va fi slbatic (nemutant). Deoarece n F1 se vor exprima ambele alele necesare formei slbatice fenotipul va fi corespunztor formei slbatice.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Dac n F1 nu apare fenotipul slbatic ci unul mutant, putem concluziona c mutaiile au loc n interiorul aceleiai gene.
Explicaie:
dac mutaiile exist n poziii diferite ale aceleiai gene, n F1 fiecare cromozom omolog va prezenta cte o variant a mutaiei;
In lipsa produsului genei slbatice va aprea un fenotip mutant.
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Complexitatea determinrii genetice a caracterelor
Motenirea caracterelor continue
Pna acum am trecut n revist carectere care manifestau doar cteva fenotipuri distincte.
n experimentele lui G.Mendel seminele de mazre erau: netede sau zbrcite, galbene sau verzi.
n sistemul ABO exist 4 grupe de snge distincte: A, B, AB, O
Astfel de caractere care determin doar cteva fenotipuri distincte au fost numite caractere discontinui.caractere discontinui.
Motenirea caracterelor continue
Nu toate caracterele prezint fenotipuri discontinue.
La om, greutatea corporal i talia (nlimea) sunt astfel de caractere deoarece nu ntlnim greuti sau nlimi distincte ci un ir gradat de fenotipuri de la cele mai mici valori pn la cele mai mari.
Astfel de caractere care prezint o distribuie continu a fenotipurilor au fost denumite caractere continue.
Deoarece aceste caractere prezint multe fenotipuri i trebuie descrise n termeni cantitativi au fost denumite i caractere cantitative.
Motenirea caracterelor continue
Motenirea caracterelor continue
Motenirea caracterelor continue
Caracterele continui apar, cel mai adesea, datorit faptului c gene din mai muli loci diferii interacioneaz pentru a produce un anume fenotip.
Cnd un caracter este codificat de dou alele de la un singur locus, exist doar 3 genotipuri posibile.
Cnd sunt implicai doi loci cu dou alele fiecare, vor fi 32=9 genotipuri posibile.
Cnd caracterul este determinat de 8 loci, fiecare cu dou alele, sunt posibile 38 = 6561 genotipuri diferite pentru acel caracter.
Numrul de genotipuri posibile pentru un caracter este egal cu 3n unde n este egal cu numrul de loci cu dou alele care contribuie la determinarea caracterului respectiv.
Motenirea caracterelor continue
Caracterele a cror determinare este datorat mai multor perechi de alele din loci diferii i interaciunii lor cu mediu, au fost denumite caractere poligenice caractere poligenice multifactorialemultifactoriale.
La om, numeroase caractere normale (inteligen, talie, greutate, culoarea pielii, a ochilor) sau patologice (epilepsia, cancerul, diabetul, hipertensiunea, schizofrenia etc.) au o astfel de determinare.
Motenirea caracterelor continue
Motenirea caracterelor continue
Aciunea polimer a genelor
Prin polimerie sau aciune polimer a genelor se nelege contribuia mai multor gene nealele la realizarea unui caracter.
Polimeria poate fi cumulativ sau necumulativ.
Polimeria cumulativ
Nillson-Ehle, n 1908, a studiat motenirea culorii bobului la diferite soiuri de gru, dei nu tia de diploidie, tetraploidie i hexaploidie.
Ulterior, s-au identificat dou perechi de gene, dispuse fiecare pe cte o pereche de cromozomi omologi (A1a1 i A2a2).
Fiecare din perechile de gene prezint o relaie interalelic de dominan i recesivitate complet. Alelele dominante prezint un efect cumulativ.
Astfel, culoarea rou intens se datoreaz genotipului dominant A1A1 A2A2, iar culoarea alb genotipului recesiv a1a1 a2a2; alte 3 fenotipuri rezult prin combinarea alelelor.
4 alele dominante = rou intens; 3 alele dominante = rou; 2 alele dominante = rou deschis; 1 alel dominant = roz.
La soiurile hexaploide de gru culoarea bobului depinde de trei perechi de gene.
ncruciarea unui soi avnd toate genele dominante cu un soi avnd toate genele recesive are drept rezultat n F1 un trihibrid care va da 8 tipuri de gamei i va determina n F2 64 de combinaii genotipice cu 7 clase fenotipice.
Reprezentarea celor 7 clase fenotipice n funcie de frecvena lor este de tip binomial, n care frecvena maxim corespunde fenotipului cu 3 gene dominante.
Motenirea caracterelor continue
Polimeria necumulativ
Gradul de realizare al unui caracter nu depinde dect de prezena genelor i nu de doza lor.
Forma normal, triunghiular, a fructului la traista ciobanului este determinat de dou perechi de gene dominante (A1A1A2A2) cu efect polimer necumulativ.
n F2 toate genotipurile cu doze variate de gene dominante au fructe de form triunghiular; numai genotipul complet recesiv are fructe de form ovoidal.
Motenirea caracterelor continue
Reglarea activitii genelor
Genele reprezint unitile funcionale ale genomului.
Activitatea genelor poate fi reglat la orice nivel de la ADN la proteine.
Elementele reglatoare pot fi:
Secvene de ADN care nu se transcriu n ARN dar influeneaz exprimarea genelor;
Proteine care se leag de ADN i care funcie de structura lor pot fi grupate n mai multe clase.
Reglarea activitii genelor
Mediul n care bacteriile triesc i se reproduc nu este constant.
Prin procese evolutive au aprut i s-au dezvoltat mecanisme ce compenseaz modificrile ambientale, permind bacteriilor s supravieuiasc ntr-o varietate de medii.
Una din cile prin care un organism se poate adapta la un nou mediu de via este modificarea activitii genelor astfel nct s se sintetizeze produi adecvai noilor condiii.
Reglarea activitii genelor la bacterii
In 1965 In 1965 Francois JacobFrancois Jacob,, Jacques MonodJacques Monod i i Andr LwoffAndr Lwoff, , au au fost distinifost distini cucu Premiul Premiul Nobel in Nobel in FizFiziologiologieie pentru pentru descoperirile ce vizau reglarea activitiidescoperirile ce vizau reglarea activitii genelorla bacterii i genelorla bacterii i virusurivirusuri. .
Reglarea activitii genelor la bacterii
ntr-o celul bacterian, genele a cror produi particip la aceeai cale metabolic sunt grupate ntr-o unitate transcripional numit operon.
De regul un operon cuprinde: cteva gene structurale, un promotor pentru genele structurale i un operator adic o secven de ADN unde se poate lega produsul unei gene reglatoare.
Genele a cror activitate este reglat ca rspuns la nevoile unei celule se numesc gene reglabile.
Genele a cror produi sunt necesari pentru creterea i diviziunea celular, indiferent de mediu i care sunt ntotdeauna active sunt definite ca gene constitutive.
Reglarea activitii genelor la bacterii
Reglarea activitii genelor la bacterii
Prin legarea proteinelor reglatoare se poate, fie activa, fie bloca transcrierea.
Reglarea activitii genelor la bacterii
Exist dou tipuri principale de control la nivelul transacrierii:
Control pozitiv-proteina reglatoare (activatorul) se leag de ADN iniiind transcrierea;
Control negativproteina reglatoare (represorul) se leag de ADN blocnd transcrierea.
Unii operoni sunt inductibili n mod normal transcrierea este blocat i trebuie pornit.
Ali operoni sunt represibili - n mod normal transcrierea este pornit i trebuie blocat.
Reglarea activitii genelor la bacterii
Reglarea activitii genelor la bacterii Operon inductibil
Operon represibil
Reglarea activitii genelor la bacterii
Operoni inductibili
Genele a cror exprimare apare numai cnd n mediu ptrunde o substan numit inductor (ex. alolactoza) se numesc inductibile.
E. coli este capabil s creasc pe un mediu simplu ce conine sruri i o surs de carbon precum glucoza.
Energia necesar pentru cretere i diviziunea bacteriei provine din metabolismul glucozei.
Enzimele necesare metabolismului glucozei sunt codificate de gene constitutive.
Cnd n loc de glucoz, lactoza este disponibil ca surs de carbon, bacteria va sintetiza rapid enzime necesare metabolizrii acestui glucid.
Reglarea activitii genelor la bacterii
Enzimele vor fi sintetizate deoarece genele care le codific vor fi transcrise i traduse n prezena alolactozei.
Operonul lac la E. coli controleaz transcrierea a 3 gene implicate n metabolismul lactozei:
lacZ codific -galacozidaza care determin izomerizarea lactozei n alolactoz dar i scindarea acesteia n glucoz i galactoz;
lacY codific permeaza necesar pentru transportul lactozei din mediu de cretere n celul;
lacA codific tiogalactozid transacetilaza, enzim ce transfer o grupare acetil de la acetil-CoA la -galactozidaz.
Reglarea activitii genelor la bacterii
Operonul lac este inductibil: o gen reglatoare produce un represor care se leag de operator blocnd transcrierea unor gene structurale.
Reglarea activitii genelor la bacterii
Prezena alolactozei inactiveaz represorul permind transcrierea genelor structurale ale operonului lac.
Reglarea activitii genelor la bacterii
n concluzie la operonul lac proteina represoare mpiedec transcrierea genelor structurale prin legarea sa de operator cnd inductorul nu este prezent.
Represorul exercit un efect negativ asupra exprimrii genelor structurale motiv pentru care despre acest operon se spune c este sub control negativ (reglaj negativ).
S-a constatat ins c c exist i un sistem de reglaj pozitiv al operonului lac.
Acest sistem de reglaj pozitiv asigur exprimarea genelor structurale numai dac lactoza este singura surs de carbon dar nu i n situaia n care glucoza este i ea prezent.
Reglarea activitii genelor la bacterii
Dac n mediu sunt prezente att glucoza ct i lactoza, bacteria va utiliza prefenial glucoza, iar genele structurale ale operonului lac nu vor fi exprimate.
n aceste condiii operonul lac este represat datorit concentraiei reduse a unei molecule ce exercit un reglaj pozitiv prin leagare de operon pentru a facilita transcrierea.
Molecula ce exercit un reglaj pozitiv este un complex format din proteina CAP (catabolite activator proteine) cu cAMP.
Acest complex se leag de un situs de legare specific din ADN, facilitnd ataarea ARN polimerazei de promotor n prezena inductorului.
Reglarea activitii genelor la bacterii
n prezena glucozei se manifest aa numitul efect al glucozei sau represia catabolitului.
Un produs de scindare al glucozei (un catabolit) determin o scdere rapid a cAMP.
Cantitatea insuficient de complex CAP-cAMP nu va mai facilita legarea ARN polimerazei de promotor.
Acest fapt va bloca transcrierea chiar dac represorul nu este legat de secvena operatoare.
Reglarea activitii genelor la bacterii
Reglarea activitii genelor la bacterii
Operoni represibili
Aa cum glucoza poate lipsi din mediu de cretere a bacteriilor, este posibil ca i unii aminoacizi necesari sintezelor proteice s lipseasc.
Dac un aminoacid lisete, bacteria posed operoni capabili s sintetizeze acel aminoacid pentru a putea crete i a se putea reproduce.
Fiecare pas n cile de biosintez a aminoacizilor este catalizat de o enzim specific, codificat de o gen specific.
Reglarea activitii genelor la bacterii
Cnd toi cei 20 de aminoacizi sunt prezeni, genele care codific enzimele necesare sintezei lor, sunt inactive transcripional.
Cnd un aminoacid lipsete, transcrierea genelor ce codific enzimele necesare sintezei lui va fi activat.
Spre deosebire de operonul lac n care activitatea genelor este declanat cnd n mediu apare inductorul, n sistemul represibil, activitatea genelor este represt cnd n mediu apare o molecul numit corepresor.
Astfel de operoni se numesc represibili.
Reglarea activitii genelor la bacterii
Un astfel de operon este trp care controleaz sinteza aminoacidului triptofan la E. coli.
Reglarea activitii genelor la bacterii
ntr-un operon represibil, transcrierea genelor este activa i trebuie represat.
Represarea se realizeaz prin legarea triptofanului de represor care astfel devine activ.
Represorul activ se leag de secvena operatoare mpiedecnd ARN polimeraza s transcrie genele structurale.
Un alt mecanism de reglare al operonului trp este atenuarea.
n atenuare, transcrierea este iniiat dar este terminat prematur.
Reglarea activitii genelor la bacterii
Reglajul pozitiv i negativ la operonul arabinozei
La procariote, reglajul la nivelul transcrierii, nu este adesea, pur p